1

4

Bedeutung der Heterozyklischen Aromaten

I. Purine und Pyrimidine

II. Alkaloide

III. Nukleotide:

Energieträger Phytohormone Proteinbiosynthese Hauptbestandteil von DNA und RNA

Gen-Umwelt-Kontroverse:

VGesamt = VUmw. + VGen + VRest

Einschätzung des Anteils der Umwelt-Einflüsse und genetischen Einflüsse an der Variabilität von Biomasse und Pflanzenproduktivität

6

Ausgangsstoffe zur Bildung der Nukleinsäuren

BiosyntheseN-haltigerheterocyclischerAromaten:

Purine:

und Pyrimidine:

Alkaloid-Biosynthese: aus Lys , Phe , Tyr , Trp , Nicotinsäure

2

7

Wichtige Pyrimidine

DNA-Pyrimidine: Cytosin + ThyminRNA: Cytosin + Uracil

8

Wichtige Purine

Adenin und Guanin in DNA und RNA

3

9

Pyrimidine und Purine

Amino-substituierte Derivate der Pyrimidine und Purine

Hydroxy-substitutierte Pyrimidine und Purine existieren v.a. in Keto-Formen.

4-Aminopyrimidin 6-Aminopurin

HH NN NN

NNNN

HHHH

NNHH22

NN

NN

HH

HH

HHHH22NN

KetoEnol

HHNN

NN

NNNN

HH

HH

OOHH

HHNN NN

NN

HH

HH

OO

HHNN

10

Alkaloide:

Coffein:

Kaffeebohnen 1-1,5%, getrockneter schwarzer Tee bis zu 5%, Guarana (bis 6,5%) Kakaobohnen (bis 0,2%)

TheobrominKakao 1,5 - 3%in Tee, ColanussMate

Theophyllin: "typisches" Alkaloid des grünen Tees

Chinin: Krampf-, Fiebersenkend v.a. bei Malaria Aus Chinarinde

Chinin

4

11

Nicotinerge Acetylcholinrezeptoren und Insektizide

besetzt Acetylcholin-Rezeptoren

Sterische Ähnlichkeit zu ACh

Erregungsübertragung:

Erregung der sympathischen und parasympathischen Nerven

Ausschüttung von Noradrenalin und Adrenalin

in höheren Dosen: Rezeptoren ständig besetzt

verhindert weitere Erregung durch natürliches Acetylcholin

13

Alkaloid-Pflanzen

NachtschattengewächseTropanalkaloide (typisch f. Solanaceen)

bei inneren Krankheiten und Augenheilkundewirken auf glatte Muskulatur Krampflösend Spezif. Wirkung d abhängig vom Verhältnis zw. Atropingehalt : Scopolamingehalt

Schwarze Tollkirsche (Atropa bella-donna L., A: Scopolamin, Hyoscyamin, Atropin, ApoatropinSchwarzes Bilsenkraut (Hyoscyamus niger L., : Scopolamin, Hyoscyamin, Atropin) Gemeiner Stechapfel (Datura stramonium L., A: Scopolamin, Atropin, Hyoscyamin), Alraune (Mandragora Officinarum L., A: Scopolamin, Hyoscyamin, Mandragorin).

Schlafmohn (Papaver somniferum L., A: Morphin, Codein, Thebain, Papaverin, Narvein). Schmerzstillend hustenstillend krampflösend

Mutterkorn (Claviceps purpurea) Behandlung von Nervenkrankheiten.

Weißer Germer (Veratrum album L.),

Herbstzeitlose (Colchicium autumnale L.)

blauer Eisenhut (Aconitum napellus L.)

großes Schöllkraut (Chelidonium majus L.)

5

14

Nucleoside Klassische strukturelle Definition:

Nucleosid = Pyrimidin o. Purin- N-glycosid von: D-Ribofuranose oder 2-Deoxy-D-Ribofuranose.

Ausweitung der Def. auf Purine oder Pyrimidin-N-glycoside

von fast allen Kohlehydraten.

Purin oder Pyrimidin- Teil eines Nucleosides =

“Purin oder Pyrimidin-Base”

Adenosin Cytidin Guanosin Thymidin

Uridin: RNA (Base = Uracil)

2-Deoxy-Analogon

DNA

16

Adenosin Triphosphat (AMP, ADP ATP)

Die NukleotideATP, CTP, GTP, TTP sind notwendig für

Energie-Haushalt uPhosphorylierung

dienen auch als Cofaktoren beienzymatischen Reaktionen

ATP: ein prominentes Nucleotid:Nucleotide = Phosphorsäure-Ester von Nucleosiden

6

18

CytokinineCytokinine – Die WurzelhormoneEntdeckt durch Folke Skoog im Labor .. Cytokinin-Biosynthese: Mehrere Wege

Cytokinine Cytokinine Cytokinine

AdeninPhosphoribosyl-Transferase

5´- Nucleotidase

AdensosinKinase

AdenosinNucleosidase

AdenosinPhosphorylase

Nucleotid- Nucleosid- Freie- Basen-

z.B.: Kinetin

19

ATP und Phosphorylierung

ATP +

1. Schritt imGlucose-Stoffwechsel

ADP +

Hexokinase

HOCH2O

OHHOHO

HO

O

OHHO

HOHO(HO)2POCH2

O

7

21

Hydrolyse des ATP

= die Thermodynamik biologischer Prozesse.

ΔG beschreibt: ob eine Reaktion Energie freisetzt ( exergonisch)oder Energiezufuhr benötigt ( endergonisch)

Wichtig ist der “Freie Energie Wechsel” (ΔG):wenn ΔG negativ ist -> Spontane Reaktionwenn delta G = 0 ist -> Reaktionsgleichgewichtwenn ΔG positiv ist -> keine spontane Reaktion

ΔG°' für die Hydrolyse des ATP zu ADP = –31 kJ/mol

ATP: eine“hoch-energetische" Verbindung: im Vergl. zu ADP + HPO42–.

Umwandlung von ATP in ADP: Kopplung mit anderen Prozessen

Lieferung v. EnergieUmwandlung des endergonischen Prozess exergonischer Prozess

ATP + H2O ADP + HPO42–

23

Glutaminsäure Glutamin

Reaktion in Verbindung mit derHydrolyse von ATP: exergonisch

+ NH4+–OCCH2CH2CHCO–

+NH3

O O

+ ATP

ΔG°' = -31 +14 kJ= -17 kJ

+ HPO42–H2NCCH2CH2CHCO–

+NH3

O O

+ ADP

8

27

Phosphodiester, Oligonukleotide und Polynukleotide- Das Trinukleotid GAC

PhosphodiesterBindg. zw. 3' des einen Nt und 5' des nächsten Nts.

Freie 3´u. 5' Enden

freies 5' Ende

freies 3' Ende

C

G

A

29

Basen-Paarung

Watson and Crick: komplementäre Wasserstoffbrückenbindungen

2-Deoxyribose2-Deoxyribose

AT

NNN

N NH

H

NN

O CH3

O

H

2-Deoxyribose

2-Deoxyribose

G C

NNN

N O

NH

H

HN

N

N

O

HH

9

31

HistoneTertiär-Struktur der DNA: Supercoils

Generelle Tendenz zum ´coiling´Proteine, sog. Histone bewirken effizientes ´coiling´ der DNA

Histone im ZellkernHistone: reich an basischen Aminosäuren (Lysin und Arginin).Histone: bei biologischen pH positiv geladen.

DNA ist negativ geladenDNA windet sich um Histonproteine um Nucleosomen zu formen.

Ein Nucleosom bindet ca. 146 BasenpaareDer Linker enthält ca. 50 Basenpaare

Nucleosom

DNA

Linker-DNA

35

Von der Helix zum Chromosom

10

37

Die DNA Polymerase dockt an einemStrang an und synthesisiert einenkontinuierlichen neuen Strang.

Die DNA Polymerase die am Gegenstrang andockt, synthesisiert nur kurze DNA Segmente.

DNA PolymeraseNeuer Strang

ParentaleDoppelhelix

ReplikationsgabelDNA Helicase

DNA Replikation

38

Sequenzierung nach Sanger:

ddAddA ddTddT ddGddG ddCddC

TT AA

TTGG AACC

TTGGAA AACCTT

TTGGAACC AACCTTGG

TTGGAACCAA AACCTTGGTT

TTGGAACCAATT AACCTTGGTTAA

TTGGAACCAATTAA AACCTTGGTTAATT

TTGGAACCAATTAACC AACCTTGGTTAATTGG

TTGGAACCAATTAACCGG AACCTTGGTTAATTGGCC

TTGGAACCAATTAACCGGTT AACCTTGGTTAATTGGCCAA

Sequenz des Fragments

Sequenz derOriginal-DNA

Modif. NTPs

Lauf

richt

ung

derA

uftr

ennu

ng

Fluoreszenz-markierte Didesoxy-NTPs Kettenabbruch

11

48

PCR Polymerase Chain Reaction (PCR

1. Denaturieren

2. Annealing("priming")

´

3. Synthese

“Extension" oder

“Elongation“

Zielregion

95°C

49

Elongation

PCR

Gel-Elektrophorese nach PCR

12

52

Transkription

Ermöglicht der Pflanze die Situationsgerechte Reaktion auf wechselnde Umwelt-Bedingungen. Z.B.

Nährstoff-Mangel (Bsp. Siderophor-Bildung) Trockenstress Pathogen-Befall etc.

Transkriptionskontrolle setzt am Promotor an

DNA

TranskribierterBereich

RNA

Promotor polyA Signal

Kodierbereich

57

Agrobakterien

Acetosyringonaktiviert Virulenz-gene

Vir Proteine synthetisieren ssTDNA

Opinesynthetisiert Von Agrobact.

Einzelstrang-T-DNAIntermediat

Verwundete PflanzenzelleproduziertAcetosyringon

AgrobacteriumTi -Plasmidca. 200 kbp

T-DNA

VirRegion

T-DNA an zufälliger Stelle in Kern-DNAintegriert

Auxin und Cytokinin-Syntheseverursacht Tumor-Bildung in A.t. infiziertenPflanzenzellen

AuxinSynthese

Cytokinin-Synthese

OpinSynthese

Gesunde Zelle einer anfälligen Pflanze

T-DNA Import und Integration in Kern-DNA

T-DNA Transfer

Acetosyringon